狮泉河水电站坝体防渗体系调整设计

摘　要：水电顾问集团成都勘测设计研究院 四川成都 610072） 摘要：由于料源变化，狮泉河水电站工程大坝防渗料只能采用距坝址约50km的塔那波料场粘土料，塔那波料场粘土料属于分散性粘土，不能直接用作防渗料，故需对原防渗体系进行调整。经过论证和经济比较，决定采用塔那波料场粘土与砂石料按质量比50%：50%的比例掺合，掺合料做为心墙料使用

关键词：狮泉河水电站 防渗体系 分散性粘土 掺合料

1 工程概况
　　狮泉河水电站位于西藏阿里地区狮泉河镇上游7km的狮泉河上，海拔高程4300m，高寒地远，对外交通不便。电站是一座以发电为主，兼有灌溉、防洪、治沙以及环境保护等功能和效益，水库正常蓄水位4315.00m，设计水头23m，水库库容1.85亿m3，水库具有年调节能力。电站装机容量4×1600kW，建成后供电狮泉河电网，在狮泉河电力系统中担任调峰、调频以及事故备用等任务。
2防渗体系原设计方案
　　电站挡水建筑物采用粘土心墙堆石坝，坝顶高程4318.00m，坝顶长407.45m，宽6.00m，最大坝高32.00m，上、下游坝坡均采用干砌石护坡。防渗体系主要由坝基全封闭混凝土防渗墙、坝体粘土心墙和右坝肩灌浆帷幕共同构成。坝体采用粘土心墙防渗，粘土心墙顶高程为4315.00m，顶宽3.0m，心墙上、下游坡度均为1：0.25，心墙顶部与“L”型砼防浪墙相接，底部与坝基混凝土防渗墙相接。坝基采用混凝土防渗墙防渗，防渗墙厚0.80m，河床部分全封闭，防渗墙插入心墙高度为7m，底部嵌入基岩1m，最大深度约67.00m。左坝肩为覆盖层，透水性强，为了减少绕坝渗漏量和保证左坝肩覆盖层的渗透稳定性，采用混凝土防渗墙防渗，防渗墙伸入到左坝肩0+000.00桩号位置。右岸坝肩为岩石基础，大部分区域的透水率为10 ～50Lu，右坝肩岩基采用帷幕灌浆，灌浆深度约19m。
　　上述方案经三维分析和三维电模拟试验，满足设计要求。
3防渗体系调整设计
      3.1 调整原因
　　在实际施工阶段，由于设计规划的主要粘土料场（砖厂料场）水下部分粘土开采存在诸多困难，只能采用距坝址约50km的塔那波料场粘土料，塔那波料场粘土料质量虽满足施工要求，但属于分散性粘土，从抗渗透变形能力考虑，需要对其进行改性后才能作为防渗料使用。故需对坝体原防渗方案进行调整设计。
      3.2 调整方案
　　经研究，坝体防渗体系调整方案考虑了掺合料方案和混凝土防渗墙顶抬高5m方案，两方案中坝基均采用原来的混凝土防渗墙，仅对坝体防渗心墙部分进行调整，现分述如下：
      3.2.1 坝体防渗心墙采用掺合料方案
　　考虑到心墙料储量、运距、压实最优含水量等多种因素，研究坝体心墙料采用掺合料的可行性，所谓掺合料即在粘土料中掺入一定比例的砂石料，掺入砂石料的最大粒径小于40mm。根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001. P9.“4.1.10” 中对砾石土粒径大于5mm 的颗粒含量不宜超过50％和小于0.075mm以下颗粒含量不应少于15％的原则以及塔那波黏土料、阿里砂砾石料的特点，拟定以20组塔那波黏土料颗粒分析统计平均值（黏土平）和39组阿里砂砾石料剔除40mm以上颗粒的颗粒分析统计平均值（砂砾石平）为基础，按干重量比“黏土平∶砂砾石平＝60％∶40％（掺1，质量比，下同）”、“黏土平∶砂砾石平＝55％∶55％（掺2）”、“黏土平∶砂砾石平＝50％∶50％（掺3）” 三个掺合比进行掺合料研究。为了探讨大规模施工时心墙填筑掺合料可能出现偏粗级配土体时的渗透特性，还以20组塔那波黏土料颗粒分析统计平均值（黏土平）和39组阿里砂砾石料剔除40mm以上颗粒的颗粒分析统计偏粗值（砂砾石粗）为基础，按干重量比“黏土平∶反直接下＝40％∶60％（掺4）”、“黏土平∶砂砾石粗＝30％∶70％（掺5）”两个掺合比进行掺合料研究，以供安全裕度分析。掺1～掺5按上述方案的掺合结果，其颗粒粒径特征值：小于5mm粒径颗粒含量为78.23％～57.35％，小于0.075mm粒径颗粒含量为55.60％～24.76％，小于0.005mm粒径颗粒含量为32.74％～16.49％，按国家标准分类定名均为黏土质砾（GC）。
　　经过室内击实试验、力学性试验、大三轴试验、掺合料与反滤料联合抗渗试验、掺合料在反滤料保护下的防冲刷试验等结果表明：
　　（1）掺合料在不同的粗粒（P5—大于5mm粒径颗粒）含量下，标准击实全料最大干密度为1.859～2.113 g/cm3，全料最优含水率为14.12％～8.29％，以5mm为界统计的破碎率为1.07％～2.09％，小于5mm含水率为17.68％～13.41％。在0.1～0.2MPa压力下压缩系数为0.220～0.144MPa－1，压缩模量为6.75～9.32MPa，为中压缩性土；在饱和固结快剪状态下的抗剪强度为凝聚力为0.030MPa～0.035MPa，摩擦角为15.10～19.80‘，临界坡降大于1.65，破坏坡降4.1～5.19，渗透系数为3.63～7.68x10-8，满足防渗要求。
　　（2）掺合料的力学性试验成果表明：心墙掺合料为具有一定抗剪强度的低压缩性土，自身的渗透系数满足防渗要求，但破坏坡降较低，其因可能与塔那波黏土的分散性质有关。
　　（3）心墙掺合料与反滤料联合抗渗试验成果表明：其渗透系数与掺合料自身的渗透系数相比，均有不同程度减小；破坏坡降与掺合料自身的破坏坡降均有大幅度提高，提高幅度是掺合料自身破坏坡降的4倍以上。破坏形式为流土。
　　（4）心墙掺合料在反滤料保护下的防冲刷试验成果表明除“塔那波料场粘土：阿里沙砾石料场小于40mm偏粗级配天然料作反滤料=60：40%” 防冲刷能力稍差外，其余防冲刷能力均较好，防渗土体开裂后基本能够淤堵自愈。
　　综上所述，掺合料能满足狮泉河水电站堆石坝心墙料的技术指标。
　　在掺合料掺合比例应在满足心墙料技术指标、抗渗、抗渗透稳定的要求的基础上，通过综合经济指标来确定掺合比。现将各掺合比的费用分述如下：
○1掺合比为心墙粘土：砂石料=60%：40% 
　　经计算，掺合砂石料后心墙粘土的需用量为5.32万m3，较心墙采用全粘土方案的粘土量减少3.54万m3。此方案心墙填筑单价为162.50元/m3，总费用为1829.75万元。
② 掺合比为心墙粘土：砂石料=55%:45%
　　此方案心墙粘土的需用量为4.87万/m3，较心墙采用全粘土方案的粘土量减少3.99万/m3。此方案心墙填筑单价为152.59元/m3，总费用为1718.16万元。
③ 掺合比为心墙粘土：砂石料=50%：50%
　　此方案心墙粘土的需用量为4.43万m3,较心墙采用全粘土方案的粘土量减少一半。此方案心墙填筑的施工单价为142 .51元/m3,总费用为1604.66万元。
　　以上方案施工总费用、节约数额见下表：

        
　　通过以上不同掺合比例方案比较及试验资料分析，推荐采用掺合比为塔那波粘土：小于40mm粒径砂石料=50%：50%方案。
      3.2.2混凝土防渗墙顶抬高5m方案
　　本方案拟将心墙底部高程和混凝土防渗墙顶抬高5m，并在靠心墙底部5m高度范围内采用砂石料填筑，以减少心墙粘土料的使用量。经计算，此方案的粘土使用量为7.9万m3，较心墙采用全粘土方案的粘土使用量减少1.4万m3。但将防渗墙顶抬高后，墙顶距坝基的最大高度为12m，混凝土防渗墙的施工难度将大大提高；从施工工期方面来看，随着墙顶的抬高，防渗墙混凝土施工平台的搭建、立模、拆模工期将会增加，受混凝土龄期限制，心墙料填筑的时间也将增加，总工期将被延长；另外，防渗墙抬高后，混凝土量增加了1386m3,钢筋量增加了46t，混凝土防渗墙的总费用也相应增加。故从以上三方面综合考虑，此方案不宜采用。
    3.3推荐方案
    狮泉河坝体防渗体系调整方案从施工工期、施工难度以及工程经济方面进行了综合比较，推荐坝体防渗心墙采用掺合料方案为坝体防渗体系调整方案，推荐掺合比为塔那波料场粘土：阿里沙砾石料场小于40mm砂砾石料=50%：50%。
4 结束语
　　狮泉河水电站2006年2月开始蓄水， 2006年8月水库水位达到正常蓄水位4315.00m高程，2006年10月1日电站并网发电。目前通过对内部应力应变、大坝变形、渗流、扬压力等的监测分析表明：大坝受压正常，变形在合理范围内且变形已基本稳定，无异常渗流点，扬压力正常。通过对狮泉河电站大坝防渗体系调整的分析研究，我们可以总结以下几点经验：
　　（1） 分散性粘土掺合适当比例的砂砾石进行改性，掺合料可以用做中低土石坝的心墙防渗料。
　　（2）本工程掺合料做为土石坝防渗料的应用，为土石坝防渗料的选取，特别是象西藏这样粘土分布稀少且粘土质量不高的地区，提供了更广阔的选取空间，也为类似工程积累了一定的经验。

参考文献：
 [1] 祁庆和等，水工建筑物（第三版），中国水利水电出版社
[2] 成勘院科研所，西藏阿里狮泉河水电站土石坝施工期筑坝材料土工试验研究报告（2005.3）。